海上某盆地胶结型防漏堵漏钻井液技术.pdf

DOI:10.12358/j.issn.1001-5620.2024.01.007海上某盆地胶结型防漏堵漏钻井液技术贺垠博1，许杰2，崔国杰2，张磊2，林海3，陈卓2，金经洋3（1.中国石油大学(北京)石油工程学院,北京102249；2.中海石油(中国)有限公司天津分公司,天津300459；3.中海油能源发展工程技术公司,广东湛江524057）贺垠博，许杰，崔国杰，等.海上某盆地胶结型防漏堵漏钻井液技术 J.钻井液与完井液，2024，41（1）：68-75.HEYinbo,XUJie,CUIGuojie,etal.ResearchoncementingandlosspreventiondrillingfluidtechnologyduringdrillingintheseabasinJ.Drilling Fluid&Completion Fluid，2024,41（1）：68-75.摘要分析了我国海上某盆地地质特征和历史井漏情况，明确了该盆地钻井防漏堵漏难点：地层裂缝发育且存在微米级至毫米级的多尺度裂缝，甚至裂缝和孔、洞并存，导致堵漏材料选配难、一次堵漏成功率低；地层发育大段风化壳、部分地层破碎严重、钻井中裂缝极易二次发育等，导致恶性漏失甚至失返性漏失等复杂情况。针对上述难点，以聚乙烯醇、聚丙烯酸以及含邻苯二酚结构的有机物为原料，合成了一种胶结型堵漏剂 BFD-1。实验结果表明，人造疏松岩心在加有4%BFD-1 的水溶液中浸泡后，岩心抗压强度提高率达 19.34%。以 BFD-1 为核心，复配现场常用堵漏材料，构建了适用于不同尺寸范围漏失通道的防漏堵漏钻井液体系，具良好的防漏堵漏性、胶结性，并可有效阻止压力传递。研究成果可为该地区钻井井漏防治提供有力技术支撑。关键词胶结；防漏堵漏；水基钻井液；堵漏材料中图分类号：TE254.3TE282文献标识码：A文章编号：1001-5620（2024）01-0068-08ResearchonCementingandLossPreventionDrillingFluidTechnologyDuringDrillingintheSeaBasinHEYinbo1,XUJie2,CUIGuojie2,ZHANGLei2,LINHai3,CHENZhuo2,JINJingyang3(1.School of Petroleum Engineering,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249;2.CNOOC China Limited Tianjin Company,Tianjin 300459;3.CNOOC Energy Development Engineering Technology Company,Zhanjiang,Guangdong 524057)AbstractThispaperanalyzesthegeologicalfeaturesanddrillingfluidlosssituationsintheChinasSeaBasin,identifyingthechallenges in leak prevention and plugging technology in this area.These include prevalent formation fractures with micro tomillimeter-scalemulti-scalecracks,andeventhecoexistenceoffracturesandcavities,whichposedifficultiesinchoosingappropriatepluggingmaterialsandleadtoalowsuccessrateforfirst-timeplugging.Moreover,thereareextensivesectionsofweatheredcrustintheformation,coupledwithhighlydevelopedfracturesandseverefragmentationinsomestrata,resultinginsecondarydevelopmentoffractures,criticalfluidlossorevennon-returnfluidloss.Inresponsetothesechallenges,thispapersynthesizesatypeofgelationpluggingagent,BFD-1,usingpolyvinylalcohol,polypropyleneacid,andorganicswithhydroquinonestructuresasrawmaterials.Experimentalresultsshowthatthecompressivestrengthoftheartificiallooserockcoreincreasedby19.34%afterbeingsoakedin4%BFD-1aqueoussolution.BasedonBFD-1,fieldpluggingmaterialswerecombinedtocreatedrillingfluidsystemsforleakprevention and plugging for lost channels with different size.The drilling fluid exhibits excellent circulation-lost-control andcementingcapabilities,andeffectivelypreventspressuretransmission.Theresearchresultsprovidesupportforthesubsequentlost-circulationcontroltechnologyinthisarea.基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目“智能钻井液聚合物处理剂刺激响应机理与分子结构设计方法研究”（52004297）。第一作者简介：贺垠博，博士，中国石油大学（北京）石油工程学院教师，主要从事油气井化学与工程方面的研究工作。E-mail:。第41卷第1期钻井液与完井液Vol.41No.12024年1月DRILLINGFLUID&COMPLETIONFLUIDJan.2024KeywordsCementing;LeakPreventionandPlugging;Water-BasedDrillingFluid;PluggingAgent我国海上某盆地中古生界-中生界海相、海陆过渡相和古近系阜宁组湖相烃源岩发育12，分布各时期的砂岩、古生界灰岩及其风化壳3，油气勘探前景良好。然而，在该地区钻井实践中井漏事故频发，其原因包括：地区地层资料不足，可参考的临井资料少，导致防漏堵漏钻井液体系的设计存在盲目性；实钻中钻遇的地层存在大段风化壳，部分地层破碎性强，增加井漏事故发生几率。现场钻井液体系和防漏堵漏材料对此复杂地层的堵漏效果不佳，一次堵漏成功率低且有复漏发生。针对上述问题，通过对该盆地地质特征和井漏历史的分析，明确了防漏堵漏技术难点，开展了针对堵漏材料和防漏堵漏钻井液体系的研究，研发了一种具胶结特性的堵漏剂 BFD-1，以其为中心建立了适用于不同尺寸漏失通道的防漏堵漏钻井液体系。1目标盆地井漏风险与防漏堵漏难点分析1.1目标盆地地质特征与井漏风险分析目标盆地全区海相地层自下而上发育有震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二叠系和三叠系，属下扬子陆域。该地区在大地构造位置上位于扬子准地台长江下游段，东和东北部至近海，南和东南部以江绍深断裂与华夏板块为界，西南方向在江西九江与中扬子地区相接，西和西北以郯庐断裂带与华北板块为界4。分析了下扬子陆域地区各地层岩石特征。由图 1 可以看出，古生界二叠系龙潭组和大隆组以砂泥岩为主，裂缝层理发育；志留系高家边组和坟头组砂泥岩层理发育，寒武系幕府山组和观音台组以硬脆性泥页岩为主，存在较大尺寸的孔隙及微裂缝（见图 2）；奥陶系、寒武系、震旦系含有有大段易漏失的灰岩和白云岩。上述地层易发生裂缝性漏失，且漏失速度变化大。中生界青龙组、盐层组和古生界二叠系栖霞组、志留系茅山组、寒武系与灯影组交界处发育有大段风化壳，裂缝高度发育，易造成恶性漏失或失返性漏失。完井层位震旦系灯影组顶部与寒武系不整合接触，存在由桐湾运动所导致的古侵蚀面，顶部发育风化壳且地层溶孔、溶洞等空隙以及缝合线、裂缝等结构面较为发育，并呈现出较为显著的破碎特征，同样易发生漏失，且“塌漏同存”恶性循环风险高。大隆组黑色泥岩坟头组粉砂岩龙潭组黑色泥岩高家边组泥岩灯影组风化壳灯影组白云岩图1下扬子陆域地区各地层岩石特征300 m300 m50 m30 m图2寒武系幕府山组泥页岩扫描电镜下孔隙及裂缝特征1.2目标盆地钻井井漏历史分析目标盆地前期已钻典型井东 X 井与 CZ-X 井，钻遇地层包括志留系、奥陶系、寒武系、震旦系、二叠系等。在东 X 井钻井过程中共发生过 3 次井漏复杂，均出现于三开井段：钻至井深 6022m 的幕府山组和灯影组交界处时，发生风化壳漏失，钻井液漏失速度达 10.8m3/h；钻至井深 61286129m 的震旦系灯影组处时，发生两次裂缝性漏失，钻井液漏失速度平均 12.5m3/h。在 CZ-X 井钻井过第41卷第1期贺垠博等：海上某盆地胶结型防漏堵漏钻井液技术69程 中 在 青 龙 组 发 生 2 次 井 漏：钻 至 井 深11831244m 的第三系下盐城组和青龙组处时，钻遇大段风化壳且裂缝发育，发生恶性漏失；钻至井深 1326.89m 的第三系青龙组处时，钻具放空，钻井液失返，发生溶洞性漏失。目标盆地钻井井漏情况以及采取的堵漏工艺总结如表 1 所示。表1目标盆地钻井井漏情况及堵漏工艺总结井号 漏失层位漏失深度/m漏失速度/（m3s1）漏失类型漏失原因堵漏工艺东X井幕府6022.0010.80渗漏、裂缝性漏失灰质白云岩裂缝发育静止堵漏山组灯影组6128.4415.90渗漏、裂缝性漏失灯影组裂缝发育，且顶部发育风化壳静止堵漏CZ-X井灯影组6129.479.04渗漏、裂缝性漏失浅灰色白云岩发育溶蚀孔洞和裂缝静止堵漏青龙组1189.74640渗漏-恶性漏失、裂缝性漏失三叠系青龙组顶部风化壳发育、裂缝尺度大静止堵漏+挤注水泥青龙组1326.89钻具放空失返恶性漏失恶性漏失、溶洞性漏失发育溶洞海水强钻利用邻井电阻率测井、声波时差测井、地层密度测井等数据，采用模糊数学处理方法，对裂缝的发育程度进行评估，建立了不同层位的综合裂缝指数图（见图 3）。综合裂缝指数二叠系石炭系志留系奥陶系寒武系震旦系0500900130017002100250029003300370041004500490053005700610063000.20.4图3不同层位的综合裂缝指数图结果表明：2000m 以上地层以灰岩、泥岩为主，发育多套风化壳，易造成裂缝性漏失，漏失速度范围变化大，漏失压力低，约为 1.11.2g/cm3；二叠系地层以碎屑岩为主，发育风化壳且大概率发育溶洞，易造成恶性漏失或失返性漏失；震旦系灯影组以白云岩为主，夹杂泥岩，裂缝、风化壳发育，易造成裂缝性漏失，漏失压力低，约为1.11.2g/cm3。1.3目标盆地防漏堵漏技术难点综合目标盆地地质特征和井漏历史情况分析，实现目标盆地井高效防漏堵漏主要存在如下 3 个方面的技术难题。1）微米毫米级多尺度裂缝多，缝洞并存，造成堵漏材料选配复杂、种类与尺寸难精确，一次性堵漏成功率低。2）地层存在多段风化壳且部分地层破碎性严重，对防漏堵漏材料及随钻防漏堵漏钻井液体系承压固壁能力要求高。3）地层漏失压力低且对压力敏感，易形成诱导裂缝，加剧漏失风险及引发二次漏失。2胶结型堵漏剂 BFD-1 的研发针对目标盆地风化壳等胶结差、裂缝孔隙发育、破碎性地层井漏频发，传统防漏堵漏材料一次性堵漏成功率低、承压能力弱、无法增强井壁岩石70钻井液与完井液2024年1月强度等难点和问题5，通过将含有邻苯二酚结构的有机物接枝到聚乙烯醇、聚丙烯酸的分子链上，合成了一种胶结型堵漏剂，代号 BFD-1。化学原料的选用思路如下：考虑聚乙烯醇以及邻苯二酚中的多羟基与地层岩石表面之间可形成多重氢键6，以及邻苯二酚的酚羟基能够与岩石矿物中的高价金属离子通过双齿配位键螯合，同时考虑以羟基为主的活性基团与钻井液中其他封堵材料可在地层高温下通过酯化、取代等反应二次结合7。2.1BFD-1 的合成与表征以聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯酸（PAA）以及含邻苯二酚结构的有机物为原料，以 K2S2O4和硝酸铈铵为引发剂，采用乳液聚合法，合成了胶结型堵漏剂 BFD-1，其分子结构简式如图 4 所示。CHCHR1OCH2CONHOHOHn图4BFD-1 的分子结构简式（R1 为 PAA 链）图 5 为 BFD-1 和 PVA 的红外光谱图。4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000500C-O-C/cm1 BFD-1 PVAC=O图5BFD-1 和 PVA 的红外光谱图由图 5 可以看出，BFD-1 的红外图谱中1710cm1处出现一个极强的吸收峰，归属于酰胺基中C=O 的伸缩振动，1174cm1处的吸收峰则归属于 COC 键的伸缩振动。对于 PVA 的红外光谱，尽管在 1710cm1处同样出现 C=O 的吸收峰，但是强度相对较弱。该峰很可能归属于聚乙烯醇生产过程中未能完全醇解的醋酸乙烯酯基团，而不代表新接入羰基的 C=O 伸缩振动。此外，PVA 的光谱中并没有出现 COC 吸收峰，可证明含邻苯二酚的有机物在聚乙烯醇上的成功接枝。2.2BFD-1 的胶结性能评价2.2.1岩样单轴抗压强度测试在水溶液中评价了 BFD-1 的抗高温胶结性能，并与清水进行对比，结果如表 2 所示。表2人造疏松岩心在不同测试液高温（150）浸泡后的单轴抗压强度岩心浸泡介质单轴抗压强度/MPa平均值/MPa1#清水1.751.812#清水1.861#4%BFD-1溶液2.132.162#4%BFD-1溶液2.19由表 2 可以看出，人造疏松岩心的平均单轴抗压强度在清水中浸泡后为 1.81MPa，而在4%BFD-1 溶液中浸泡后为 2.16MPa，平均提高率达19.34%，证明其具有胶结地层岩石、提高岩石强度的能力。2.2.2微观形貌分析BFD-1 在岩石表面固化前后的扫描电镜图如图 6 所示。固化前固化后图6BFD-1 固化前后岩石表面微观形貌BFD-1 能够与地层岩石之间形成高键能的非共价键，从而可强吸附在漏失裂缝内的岩石表面或填充于微孔缝中，同时 BFD-1 吸附在岩石表面后，在地层高温下可自发胶结，形成高强度、高致密性的固化壳，提高岩石中矿物颗粒的黏聚力，对于常规封堵材料（如磺化沥青和石墨）难以封堵的纳微米级孔缝同样具有较好的胶结封堵效果89；BFD-1 配合钻井液其他各类封堵或堵漏材料，在漏失通道内可共同形成致密封堵带，有效阻止钻井液侵入地层，并在固化后进一步提高封堵带致密性第41卷第1期贺垠博等：海上某盆地胶结型防漏堵漏钻井液技术71与地层岩石抗压强度，强化井壁、阻止漏失。由图 6 可以看出，BFD-1 固化后与岩石矿物质紧密结合形成连续体，形成了致密屏蔽面，显著减少了纳米微级孔缝数量。3防漏堵漏钻井液体系堵漏性能评价与优化现场用钻井液基本配方 1#为：海水+0.2%NaOH+7%KCl+14%NaCl+0.5%PF-PAC-LV+0.3%PF-PLUS+0.1%PF-XC+3%PF-FT-1+2%PF-HLUB+2%PF-UHIB+1%PF-LUBE+2%PF-NRL+4%磺化复合封堵材料+0.1%DRISTEMP+5%碳酸钙粉+重晶石，密度为 1.3g/cm3。以胶结型堵漏剂 BFD-1 为核心，优选现场堵漏材料，对现场钻井液体系（1#）开展堵漏性能评价与优化。3.1砂床封堵实验大量文献7以及相关实验结果表明，用存在非均质孔隙的砂床可更真实地模拟井下情况，可以更好地反映出材料的堵漏能力。收集了现场常用的5 种堵漏剂（BLN-1/2/3、SEAL、SZDL），为不同尺寸的薄片状的 BLN1/2/3 和颗粒状的 SEAL、SZDL，在现场钻井液中采用砂床堵漏法评价了现场堵漏剂和新研发的胶结型堵漏剂 BFD-1 的堵漏性能（150C）。形成的评价配方如下：2#1#+1.5%SZDL3#2#+1.0%BFD-14#2#+1.5%SEAL+1.5%BLN15#4#+1.0%BFD-1由图 7 可以看出，不加入额外堵漏材料时，现场钻井液快速漏失，压力为 1MPa 时累计漏失量接 近 120 mL；在 第 一 组 基 础 上 加 入 1.5%的SZDL 后，钻井液可成功封堵 1020 目砂床，但承压能力仅有 5MPa，继续加压则全部漏失；在第二组基础上加入 1%的 BFD-1 后累计漏失量降低，且承压能力提高至 8MPa；在第四组中，3 种现场堵漏剂复配后在压力为 8MPa 时累计漏失量仅 13mL，而在此基础上加入 1%的 BFD-1 后，压力为 8MPa时累计漏失量进一步降低至 7.8mL，证明 BFD-1 与现场钻井液用其他堵漏材料配伍性良好，且可显著提升钻井液堵漏能力。012345678020406080100120累计漏失量/mL P/MPa1#2#3#4#5#图7不同防漏堵漏体系对 1020 目砂床的承压堵漏效果上述堵漏实验结束后，取出实验后的砂床观察（见图 8），第二组的砂床形态松散，第三组的砂床形状规则、坚实致密，第四组的砂床较致密但整体未呈现胶结后的坚实态，第五组的砂床形貌规整、质地坚实并在表面可观察到致密胶结壳，表明 BFD-1 具有显著胶结作用。此外，对堵漏后形成的砂床开展了单轴点载荷抗压强度测试，见图 9。结果表明，将破坏应力载荷换算为压强载荷后，第二组和第三组的砂床抗压强度分别为 1.16、1.58MPa，即加入 BFD-1 后抗压强度提高 36.2%，第四组和第五组实验的砂床抗压强度分别为 1.68、2.02MPa，即加入 BFD-1 后抗压强度提高 20.2%，进一步证明了 BFD-1 的强胶结、提高岩石强度性能。2#3#4#5#图8经不同防漏堵漏钻井液承压堵漏后形成的砂床外观00.51.01.52.02.53.03.500.050.100.150.20N/kN变形/mm1#2#3#4#5#图9堵漏实验后各砂床的单轴点载荷抗压强度72钻井液与完井液2024年1月3.2缝板封堵实验缝板堵漏实验利用人造缝模具模拟井下漏失地层裂缝，以此评价钻井液对裂缝型漏失的堵漏效果10，可直观清晰地从模具中观察到堵漏液侵入裂缝的状况及堵漏材料自身的状态1112。为评价对大尺寸裂缝的堵漏效果，在 150 下，进一步在现场钻井液的基础上复配不同的堵漏材料，形成6#、7#共 2 组防漏堵漏钻井液体系，开展了缝板堵漏实验；经 7#堵漏后的 1mm、3mm 直角缝板外观如图 10 所示，各组实验的累计漏失量结果如表 3所示。1 mm1 mm3 mm3 mm图10堵漏前后的 1mm、3mm 直角缝板外观（7#钻井液）6#1#+1%BFD-1+2%SZDL+2%SEAL+2%BLN17#1#+1.5%BFD-1+2.5%SZDL+3%SEAL+2%BLN1+2%BLN2+2%BLN3由表 3 可知，6#和 7#钻井液对 1mm 梯形和直角缝板都具有较好的堵漏效果，最高承压可达 8MPa，累计漏失量都小于 40mL，但 7#配方中堵漏材料用量大，因此对于漏失通道尺寸为 521m1mm的漏层建议采用 6#配方进行堵漏。对于 3mm 梯形缝板，6#和 7#钻井液仍具有较好的堵漏效果，最高可承压8MPa，但累计漏失量较高。与梯形缝板相比，直角缝板不具备“漏斗结构”，不容易实现堵漏材料堆积和堵漏层的形成，因此堵漏难度更大；6#钻井液在堵漏 3mm 直角缝板时全部漏失，7#钻井液因复配了更多种类、使用了大量的堵漏材料成功堵漏，承压达到 8MPa，说明其适用于更高难度堵漏。总之，在现场钻井液中加入研发的胶结型堵漏剂后，通过与现场钻井液材料的复配，实现了对宽尺寸范围漏失的高效堵漏。3.3压力传递实验使用 JHWD-1 页岩稳定性综合模拟评价系统，用柱状低渗人造岩心（直径 25.4mm、长度12.7mm）开展压力传递实验，围压 25MPa，温度 150，初始上游压力 35MPa。通过实时监测下游压力变化评价胶结型堵漏剂 BFD-1 在现场钻井液中阻止压力传递性能，结果见图 11。0246810125051015202530354045P下游/MPat/h1#1#+2%BFD-1图11BFD-1 对低渗人造岩心的压力传递实验结果由图 11 可知，在现场钻井液体系下 2h 内下游压力基本达到上游压力值，而添加 2%BFD-1 的表3不同防漏堵漏钻井液在不同尺寸缝板下的承压以及累计漏失量缝板尺寸及类型堵漏体系在不同压力（MPa)下的累计漏失量/mL123456781mm梯形缝板6#12151919202121217#9111517181818181mm直角缝板6#23273035373940407#21262931353637383mm梯形缝板6#1321591761932052112192227#831051111211291351471503mm直角缝板6#258360450全漏7#190218235256264268269270第41卷第1期贺垠博等：海上某盆地胶结型防漏堵漏钻井液技术73钻井液体系 12h 内下游压力仅达到上游压力的50%左右，证明胶结型堵漏剂 BFD-1 封堵致密，可有效阻止压力传递，提高井壁稳定性，并且阻止压力传递还可减少因地层应力敏感形成诱导裂缝，避免二次漏失发生。4防漏堵漏钻井液选配对策根据漏失风险层位预测与钻井液防漏堵漏性能评价结果，结合现场堵漏材料，针对目标盆地不同程度的井漏有针对性地建立了防漏堵漏钻井液选配对策（见表 4），其中果壳、云母片。蛭石为通用防漏堵漏剂，可选择性添加以增强防漏堵漏能力，或在漏失不严重时替换其他材料以降低成本。5现场实践目标盆地 XX-1 井在钻至井深 2011m 时发生漏失，钻井液密度 1.22g/cm3，静止漏速 7m3/h，提高排量后漏失量迅速升高，循环漏速最高达到20m3/h，未出现失返。根据钻遇地层岩性判断，漏失地层为黄龙组，漏失原因为黄龙组灰岩裂缝高度发育，宽度预计 12mm 左右，漏失压差小。根据室内实验结果指导了现场堵漏施工，施工参数见图 12。堵漏施工后循环漏速降为 0，一次堵漏成功。后续钻井施工过程中，现场钻井液添加 1.5%胶结型堵漏剂强化随钻防漏堵漏性能，无井漏发生，顺利钻至目的层位。表4防漏堵漏钻井液选配对策漏失通道尺寸堵漏材料配方使用方案小于521.3m1%BFD-1+1.5%SZDL+1.5%SEAL+1.5%BLN1+2%果壳+2%云母片从混合漏斗处加入一定比例的复合堵漏剂521m1mm1%BFD-1+2%SZDL+2%SEAL+2%BLN1+2%果壳+2%云母片从混合漏斗处加入一定比例的复合堵漏剂13mm1.5%BFD-1+2.5%SZDL+3%SEAL+2%BLN1+2%BLN2+2%BLN3+3%果壳+5%云母片+5%蛭石从混合漏斗处加入一定比例的复合堵漏剂后，适当停钻以待胶结固化充分0.80.91.01.11.21.31.41.51.6钻井液/(gcm3)钻井液密度静止漏速循环最大漏速井深/m02.55.07.510.012.515.017.520.0漏速/(m3h1)50010001500200025003000图12目标盆地 XX-1 井现场堵漏施工参数图6结论1.通过对海上某盆地地层资料和已钻井漏失情况的分析，明确了钻井漏失风险层位以及防漏堵漏技术难点，提出了通过胶结堵漏的方式防治漏失的对策。2.以聚乙烯醇、聚丙烯酸以及含邻苯二酚结构的有机物为原料，合成了胶结型堵漏剂 BFD-1，其能够封堵和堵漏不同尺寸的孔隙及裂缝，并胶结破碎性岩石、有效提高其抗压强度和阻止压力传递，具有优良的胶结堵漏性能。3.以胶结型堵漏剂 BFD-1 为核心，结合现场堵漏剂 BLN-1/2/3、SEAL、SZDL，建立出针对不同漏失通道尺寸的防漏堵漏钻井液体系调配方案，并成功现场实践，为后续该地区井漏防治提供技术支撑。参考文献孙金声，杨景斌，白英睿，等.裂缝性地层桥接堵漏技术发展综述与展望 J.石油科学通报，2023，8（4）：415-431.SUN Jinsheng,YANG Jingbin,BAI Yingrui,et al.ReviewandprospectofbridgingpluggingtechnologyinfracturedformationJ.Petroleum Science Bulletin,2023,8（4）：415-431.1雷少飞，孙金声，白英睿，等.裂缝封堵层形成机理及274钻井液与完井液2024年1月堵漏颗粒优选规则 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